Apresentamos de seguida, outras técnicas ou métodos de estudo que têm sido utilizadas para estudar o tracto vocal. Surgem agrupadas apenas para as distinguir das técnicas de imagem descritas na secção anterior. Outros autores, apresentam as técnicas laboratoriais pelo tipo de informação que fornecem, por exemplo, informação 3D ou informação dinâmica (Engwall, 2002) ou métodos internos ou métodos externos (Mohammad, 1999), etc. A ordem com que surgem não é cronológica nem reflecte nenhuma hierarquia. Dá-se especial destaque às três técnicas mais utilizadas e referenciadas na literatura revista: X-Ray Microbeam, Articulografia Electromagnética (EMA) e Electroplatografia (EPG).
3.2.1 X-Ray Microbeam
Este sistema, específico para investigação na área das ciências da fala, foi desenvolvido na Universidade de Tóquio, com o intuito de minimizar as doses de radiação (mais baixas com este sistema do que com a radiografia simples e cineradiografia) recebidas pelos informantes nos estudos de produção de fala e por outro lado, evitar o gasto de tempo necessário para a análise da informação, proveniente das imagens cineradiográficas, efectuada imagem por imagem (Honda, 2002). As doses de radiação com este sistema são muito baixas, uma vez que são utilizadas voltagens muito elevadas (450 kV e 600 kV) e o feixe é extremamente colimado (0.4 mm espessura). Este facto é importante pois estruturas radiosensíveis como os olhos, não são irradiadas, e a radiação dispersa é mínima (Stone, 1999). Na Figura 3.4 (à esquerda) pode observar-se um sistema de segunda geração desenvolvido por Westbury (1994) na Universidade de Wisconsin (Westbury citado por Araújo, 2007) e à direita, planos de referência e localização dos pellets a nível da língua (Araújo, 2007).
Figura 3. 4 - X-Ray Microbeam (gerador) à esquerda, Fonte: http://www.medsch.wisc.edu/ubeam/gen/generator.html. Informação extraída da base de dados XRMB, Fonte: Araújo (2007).
O X-Ray Microbeam (XRMB) permite velocidades de amostragem muito elevadas (40 a 180 amostras/ segundo) podendo esta razão de amostragem ser diferencial. É um excelente método para obter informação dinâmica relativa ao movimento dos articuladores e estudar fenómenos de coarticulação (Mohammad, 1999; Stone, 1999). Permite ainda, obter parâmetros cinemáticos como a velocidade, aceleração e inter-coordenação entre os articuladores. Como a dose de radiação é baixa permite obter grande quantidade de informação para um mesmo sujeito. No entanto, apesar da dose absorvida ser baixa, a utilização de radiação ionizante é considerada uma desvantagem. Os custos de instalação e manutenção são, também, significativamente elevados, sendo o número de unidades disponíveis muito escasso. Desta forma, uma investigação que recorra a esta ferramenta torna-se extremamente dispendiosa se uma equipa de investigação tiver que se deslocar para recolher informação (Stone, 1999). Permite apenas a obtenção de informação bidimensional (de alguns pontos no plano sagital) e a colocação dos eléctrodos na zona posterior da língua, velo e faringe é uma tarefa difícil e morosa, sendo mesmo impossível de colocar em alguns indivíduos (Mohammad, 1999; Stone, 1999)
3.2.2 Sistemas de Articulografia Electromagnética (EMA)
Esta técnica de avaliação do tracto vocal, é baseada no fenómeno da indução de Faraday: numa bobine, colocada sob acção de um campo magnético variável no tempo, é induzida uma força electromotriz. No sistema EMA, o campo magnético é criado quando se aplica uma corrente alternada numa bobine - chamada bobine transmissora ou emissora. A bobine onde é induzida a corrente denomina-se receptora. As bobines receptoras são colocadas nos diferentes articuladores (em pontos específicos como se mostrará adiante) no plano médio sagital. As bobines transmissoras são fixas, variando o seu número com o sistema utilizado, sendo cada uma delas sujeita a uma corrente alternada de diferente frequência e originando um campo magnético específico. A intensidade do campo magnético (sinal) na bobine receptora diminui à medida que aumenta a distância entre a bobine receptora e a transmissora (varia na razão inversa do cubo da distância) permitindo estudar os movimentos dos articuladores num sistema bidimensional. Idealmente seriam suficientes apenas duas bobines emissoras para determinar, por triangulação, as coordenadas, mas como existem desalinhamentos torna-se necessária uma terceira bobine emissora (Hoole & Nguyen, 1999; Shiga, 2005; Stone, 1999; Teixeira, Moutinho, & Coimbra, 2001). Estas bobines são montadas num capacete (Helmet) colocado em torno da cabeça do informante (ver Figuras 3.5 e 3.6).
Figura 3. 5 - Sistema AG 200 - Helmet onde se encontram as bobines transmissoras. Fonte:
www.articulograph.com.
Existem vários sistemas de articulografia electromagnética, o sistema Electro Magnetic Mid-Sagital
Articulography (EMMA) desenvolvido por Perkell et al, 1992 (MIT), os sistemas Carstens AG 100,
AG 200 e AG 500 (Carstens Medizinelektronik, Göttingen, Alemanha), e o sistema Movetrack (Botronic, Hägersten, Suécia) que fundamentalmente variam no número de bobines transmissoras e receptoras utilizadas (Engwall, 2000c). Dos sistemas referidos, todos permitem a obtenção de informação 2D, a excepção é o sistema AG 500 que permite a obtenção de informação tridimensional (Figura 3.6) , mas só recentemente estão a ser divulgados os primeiros resultados da sua utilização (Pfitzinger, 2005).
Figura 3. 6 - Colocação esférica das seis bobines transmissoras utilizadas no sistema 3D AG 500
(a) e Helmet em forma de cubo no mesmo sistema, não sendo necessária a fixação da cabeça. Fonte: Zierdt et al. (2000).
Existe já uma base de dados EMA, para o Português Europeu, cujo corpus foi constituído com o intuito de aprofundar os conhecimentos ao nível da produção de vogais orais e nasais do PE. Esta base de dados foi obtida em Fevereiro de 2001 por Teixeira (Teixeira & Vaz, 2001), no Institut für Phonetik und Sprachliche Kommunikation da Universidade de Munique, utilizando um sistema
Carstens AG 100. O corpus utilizado no presente trabalho inclui alguns item retirados do corpus EMA criado pelos autores referidos, de forma a ser possível conjugar informação diferente, proveniente dos vários métodos. As bobines receptoras ou sensores utilizados foram nove (de forma semelhante ao utilizado noutros estudos para outras línguas - corpora MOCHA, cf. Shiga (2005)), colocados da seguinte forma: três na língua (próximo do ápice da língua, parte posterior da língua e outro a meio caminho entre os dois - dorso da língua), um no lábio inferior, outro no velo (que levantou algumas dificuldades na sua colocação), e um na mandíbula do qual não foi obtida informação independente, devido a um erro de calibração. Com os dados recolhidos pelos sensores obteve-se informação articulatória. Além destes sensores, foram ainda colocados mais dois sensores, para referência, um no nariz e outro nos incisivos superiores, que permitiram corrigir os movimentos da cabeça do falante (Teixeira, Moutinho, & Coimbra, 2001; Teixeira & Vaz, 2001).
As principais vantagens deste método são a capacidade de obter informação relativa a vários articuladores (lábio inferior, maxilar, língua e velo) em simultâneo e em tempo real. Uma vez que existe informação de vários articuladores, é possível avaliar também a inter-acção entre estes (Engwall, 2000c; Stone, 1999; Teixeira & Vaz, 2001). A articulografia electromagnética é também um dos métodos de estudo mais adequados para estudar coarticulação uma vez que permite a obtenção de um vasto número de palavras numa única sessão (Hoole & Nguyen, 1999; Teixeira, Moutinho, & Coimbra, 2001). Como a informação obtida é relativamente simples de analisar torna possível alargar o número de informantes numa determinada investigação (Hoole & Nguyen, 1999). É também possível, com a maior parte dos sistemas EMA, conjugar outras técnicas instrumentais como a EPG, a Ultrasonografia (US) ou outros métodos (OPTOTRAK), se bem que possa existir, com alguns sistemas, algum tipo de interferência (Hoole & Nguyen, 1999).
Uma das limitações deste método reside no facto de só ser possível obter informação bidimensional, na linha média e relativa a alguns pontos, sendo o comportamento do articulador na sua totalidade, inferido e não medido. Este facto, é particularmente condicionante no estudo dos lábios, língua e velo que apresentam movimentos mais fluidos do que rígidos (Stone, 1999). Contudo, com o desenvolvimento e validação da articulografia 3D (3D EMA) algumas destas limitações poderão ser ultrapassadas, nomeadamente no estudo dos movimentos (mais complexos) da língua e do velo, uma vez que é possível recolher informação fora do plano médio- sagital e assim captar os movimentos laterais destes articuladores. O sistema permite ainda o movimento da cabeça e do corpo, não sendo necessária a sua fixação como nos modelos percussores (Figura 3.5) e a orientação dos sensores não é restritiva (Zierdt, Hoole & Tillmann, 1999; Zierdt et al, 2000; Pfitzinger, 2005). Uma outra desvantagem, associada a todos os sistemas, está relacionada com o tempo e esforço dispendido na colocação dos sensores, a maior parte das vezes colados com cola cirúrgica ou utilizando outras opções mais invasivas (Mohammad, 1999). Em termos de segurança e apesar de existir exposição a campos magnéticos é considerado um método relativamente inócuo, com efeitos biológicos mínimos. Não existem, no
entanto, muitos estudos epidemiológicos que avaliem a exposição a campos magnéticos como os utilizados nestes estudos. Ainda assim, não é recomendável a sua utilização em mulheres grávidas (Stone, 1999) nem em indivíduos portadores de pace maker (Hoole & Nguyen, 1999).
3.2.3 Electropalatografia
A electropalatografia (EPG) ou palatografia dinâmica é a técnica instrumental utilizada quando se pretende gravar e analisar um aspecto particular da actividade da língua - o contacto da língua com o palato durante a produção de fala (ver Figura 3.7). A EPG permite observar, não só, o padrão de contacto da língua com o palato (obtido também com a palatografia estática) mas também, obter informação dinâmica como a sua variação no tempo (Gibbon & Nicolaidis, 1999; Stone, 1999).
Figura 3. 7 - Imagem referente a uma frame duma palatografia (cima) e respectivo sinal acústico
(baixo). Fonte: http://www.speech.umaryland.edu
Existem pelo menos 3 sistemas de EPG: (1) o Reading EPG3 desenvolvido na Universidade de Reading (UK), (2) o Rion DP01 da Rion Corporation (Japão) e (3) o Palatometer fabricado pela Kay Elemetrics Corporation (EUA). Os sistemas apresentam algumas diferenças, tais como a construção dos palatos artificiais, o número e construção dos eléctrodos e algumas especificações de soft e hardware.
Os palatos artificiais ou pseudo palatos utilizados (moldados para se adaptarem perfeitamente ao palato do informante) são manufacturados com materias acrílicos, não tóxicos, sendo mais rígidos nos sistemas Rion e Reading e mais flexíveis no Palatometer (cf. Gibbon & Nicolaidis, 1999 pp. 230-231).
Ao palato artificial e aos dentes encontram-se ligados um número (variável em cada sistema - desde 62 para o Reading a 96 para Kay Palatometer) de pequenos eléctrodos. Os eléctrodos ou sensores são activados sempre que a língua toca no palato, podendo o padrão de contacto língua-
palato ser inferido pelo sinal de resposta dos eléctrodos. O sinal é depois conduzido através de cabos até uma unidade exterior de processamento. O processamento através de um computador permite a observação, em tempo real, do contacto palato-língua e em simultâneo os dados relativos ao sinal acústico recolhido por um microfone (Gibbon & Nicolaidis, 1999; Stone, 1999; Engwall, 2000c).
Figura 3. 8 - Palato artificial e disposição dos eléctrodos no sistema Palatometer da Kay
Corporation (a) e sistema Reading (b). Adaptado de
http://www.linguistics.ucla.edu/faciliti/facilities/physiology/epg.html
A disposição dos eléctrodos também não é igual em todos os modelos, por exemplo, o sistema Reading distribui os 62 eléctrodos (1.4 mm diâmetro) pelo palato tendo em consideração determinados pontos anatómicos e o interesse fonético. Assim, os eléctrodos distribuem-se por 8 linhas horizontais com 6 eléctrodos na fileira mais anterior e 8 em cada uma das outras sete linhas (Nguyen, 2000; Engwall, 2000c).
O palato é ainda dividido em zonas fonéticas e sub-zonas (geralmente correspondentes aos pontos de articulação), de tal forma que, tendo como conhecimentos de base a anatomia da língua e os mecanismos de produção de fala é possível inferir qual a parte da língua envolvida na produção de determinado som (Gibbon & Nicolaidis, 1999). No sistema Reading a divisão em zonas inclui a zona alveolar, pos alveolar, palatal e velar. Os movimentos da língua com o palato mole não são registados uma vez que a fileira mais posterior de eléctrodos é anterior à transição palato duro/mole (Nguyen, 2000; Engwall, 2000c).
Os dados provenientes da EPG são sequências bidimensionais (ver Figura 3.9), denominadas palatogramas ou frames de onde é possível retirar informação espacial, temporal e estudar a coarticulação lingual. Os palatogramas são lidos da esquerda para a direita e a zona mais anterior corresponde à zona alveolar (Gibbon & Nicolaidis, 1999).
Figura 3. 9 - EPG frames ou palatogramas: a) sistema Kay Palatometer (disponível em:
http://www.speech.umaryland.edu e b) Reading EPG 3 (à direita) retirado de Nguyen, Gibbon & Hardcastle (1996)
Em termos de frequência de amostragem, com os sistemas Kay Palatometer e Reading EPG3 é possível uma razão de amostragem de 100 Hz (Nguyen, Gibbon & Hardcastle, 1996; Gibbon & Nicolaidis, 1999; Engwall, 2000c) ou seja uma resolução temporal de 10ms e para o sistema Rion DP01 cerca de 40 Hz (Gibbon & Nicolaidis, 1999).
As principais vantagens da EPG são: (1) a possibilidade de obtenção de informação em tempo real relativamente ao ponto de articulação e ao padrão de contacto palato-língua, (2) simplicidade conceptual (3) fácil manuseamento e (4) e relativamente pouco invasivo (Gibbon & Nicolaidis, 1999; Stone, 1999; Engwall, 2000c). Devido a estas características tem sido largamente utilizada quer em indíviduos sãos (estudos demográficos relativos ao crescimento do palato, dados normativos em crianças e adultos) quer em indivíduos com patologias (as alterações estudadas incluem: fenda palatina, mordida aberta, fala de surdos, etc) e em investigação na área da Fonética e da Línguística. Nestas áreas, destacam-se estudos com fricativas e de coarticulação (Nguyen-Trong, Hoole, & Marchal 1991; Hoole, 1993; Engwall, 2000c), e na investigação da fisiologia dos sons, que envolvem o contacto da língua com o palato, em diversas línguas (Japonês, Italiano, Catalão, Alemão e Inglês) (cf. Stone 1999). Como foi já referido é facilmente associável a outras técnicas instrumentais.
Como limitações do método pode referir-se a incapacidade de obter informação quantitativa quando a língua não está em contacto com o palato, o que acontece por exemplo quando a língua se afasta do contacto com o palato, na produção das vogais médias e baixas. Nestes casos, a informação proveniente da EPG é em grande parte inferida. Não fornece informação relativa a outros articuladores e a colocação de um palato artificial poderá também causar alguma interferência na articulação (Mohammad, 1999; Stone, 1999).
3.2.4 Optopalatógrafo
Este sistema permite a obtenção directa da distância entre o palato duro e a língua, mediante a utilização de sensores (infrared-LED sensors) colocados num palato artificial. Permite obter informação 3D, a partir de dois cortes ortogonais, utilizando cerca de 16 sensores. Apresenta potencialidade para obtenção de informação referente às vogais, uma vez que, consegue medir directamente a forma e dimensão da cavidade oral, configurada pelo palato duro e língua. A razão de amostragem é da ordem dos 100 Hz (Wrench et al, 1998 ).
3.3 Sumário
Neste capítulo, apresentou-se uma revisão relativa a algumas técnicas laboratoriais utilizadas na área das Ciências da Fala, para medir e modular a geometria e a dinâmica dos articuladores durante a produção de fala. Como pudemos constatar todos os métodos apresentam algum tipo de limitação, em maior ou menor grau. A técnica de estudo ideal para estudar o tracto vocal, deveria permitir obter de forma directa e tridimensional todo o tracto vocal em tempo real, e sem riscos para o falante. Alguns métodos apresentam boas potencialidades para vir a preencher tais requisitos.
Capítulo 4
Ressonância Magnética
Neste capítulo pretendemos abordar de forma sucinta e compreensível esta técnica de imagem, uma vez que, e dado o enquadramento deste trabalho, uma grande parte dos possíveis interessados na sua leitura, não serão da área da imagem. Para todos os que estão mais próximos da imagiologia, este capítulo surge apenas como uma oportunidade para rever alguns conceitos. Assim, ao longo do capítulo descrevem-se alguns conceitos físicos fundamentais subjacentes a este método de imagem, faz-se uma revisão relativa às sequências de pulso mais frequentemente utilizadas em RM e às técnicas de aquisição rápida. Referem-se os parâmetros que condicionam a qualidade de imagem e os compromissos que têm que ser estabelecidos tendo em atenção os objectivos da aquisição. Uma revisão dos estudos de Ressonância Magnética, no âmbito da produção de fala, será efectuada no capítulo 5 desta dissertação.
4.1 História
Os princípios da Ressonância Magnética Nuclear (RMN), não são recentes. O conhecimento que alguns núcleos atómicos teriam propriedades magnéticas e que estas poderiam ser manipuladas remonta aos anos 20, após os estudos de Wolfgang Pauli (Huettel, Song, & McCarthy, 2004). No entanto, o fenómeno da RMN só viria a ser descrito, de forma independente em 1946, por Felix Bloch e Edward Purcell, que viram reconhecido o mérito da sua descoberta ao serem galardoados com o Prémio Nobel da Física, em 1952. Antes da sua aplicação na área da medicina, no início da década de 80, foi utilizada na área da química (espectroscopia por Ressonância Magnética) para obtenção de informação química e física relativa a diferentes moléculas (Huettel, Song, & McCarthy, 2004; Marques, 2003).
Em 1971, Raymond Damadian demonstrou que os tempos de relaxação de tecidos normais e tumorais variavam, o que o levou a considerar que a ressonância magnética poderia ter utilização no estudo de processos biológicos, em particular no estudo de patologia tumoral (Hornack 1996- 2006; Huettel, Song, & McCarthy, 2004). No início da década de 70, foi introduzida por Hounsfield a Tomografia Axial Computorizada (TAC), hoje designada apenas Tomografia Computorizada (TC). No ano de 1973, Paul Lauterbur (Nobel da Medicina em 2003) introduzindo o conceito de gradiente conseguiu efectuar a localização espacial de objectos e, usando uma técnica de retroprojecção semelhante à utilizada em TC, apresentou a primeira imagem de RM relativa a um par de tubos teste preenchidos por água (Hornack 1996-2006; Huettel, Song, & McCarthy, 2004;
Marques, 2003). Em 1975, Richard Ernst (Nobel da química em 1991, pelos seus trabalhos em espectroscopia) propõe métodos de codificação da informação em função da fase e da frequência e a utilização da Transformada de Fourier (TF). Em 1977, Peter Mansfield (Nobel da Medicina em 2003) apresentou os fundamentos da imagem eco-planar (EPI) que viriam a permitir, anos mais tarde, adquirir imagens em tempo real. Apesar das primeiras tentativas de obtenção de imagens do corpo humano não terem sido bem sucedidas, a primeira imagem do corpo humano surge em 3 de Julho de 1977 por Damadian e colaboradores, demorando cerca de 4 horas (Huettel, Song, & McCarthy, 2004; Marques, 2003). Em 1980, Edelstein e colaboradores obtêm uma imagem em aproximadamente 5 minutos utilizando a técnica de codificação descrita por Ernst (Hornack 1996- 2006).
Em 1987, é utilizada a técnica EPI para obter um video em tempo real referente a um ciclo cardíaco. No mesmo ano, desenvolve-se a Angiografia por Ressonância Magnética e em 1992 surge a Ressonância Magnética Funcional (fRM), que veio permitir a obtenção de informação funcional relativa a diferentes tecidos (Hornack 1996-2006). Muitos outros investigadores e aperfeiçoamentos a nível tecnológico contribuíram para que a Ressonância Magnética seja, nos dias de hoje, uma das técnicas de maior valor na medicina e das mais promissoras no futuro, nomeadamente na obtenção de informação a nível molecular (Weissleder, 1999).
Alguns nomes têm sido atribuídos ao processo que permite medir a absorção e emissão de energia por um núcleo quando sob a acção de um campo magnético. Desde Indução Nuclear, a Ressonância Paramagnética Nuclear até RMN, o nome preferido e mais utilizado nas áreas da química e da física, desde os finais da década de 50 (Elster & Burdette, 2001). Em contexto clínico perdeu o nome nuclear, conotado negativamente com a radioactividade nuclear (Elster & Burdette, 2001; Hashemi & Bradley, 1997; Hornack 1996-2006; Huettel, Song, & McCarthy, 2004; Marques, 2003) e passou a ser designada por Imagem por Ressonância Magnética (IRM), MRI no Inglês, ou somente Ressonância Magnética (RM).
A RM é uma técnica de imagem tomográfica que à semelhança de outras técnicas consegue obter informação que representa a distribuição espacial de uma grandeza física. Apresenta capacidade multiplanar, ou seja, permite obter informação bidimensional (2D) de forma directa, em qualquer orientação, informação volumétrica (3D) e informação 4D se for considerada uma distribuição espectro-espacial. Permite obter uma boa resolução de contraste, em particular a nível dos tecidos moles (Liang & Lauterbur, 2000). É considerado um método de imagem relativamente inócuo, uma vez que utiliza o espectro electromagnético de forma não ionizante, recorrendo a ondas de radiofrequência (RF).
4.2 Equipamento
Para a obtenção de imagens por RM é necessário: (1) a presença de um campo magnético estático, com uma intensidade
B
0, produzido por um magnete, (2) um sistema de RF de emissão/recepção (antenas de RF, também designadas por bobines ou coils) e (3) bobines de gradientes que originam um campo magnético variável no tempo (dB
dt
), que se sobrepõe aB
0, e que permite efectuar a codificação do sinal. É necessário ainda um sistema computorizado,hardware e software adequados para aquisição e processamento da informação (Ester & Burdette,
2001; Huettel, Song, & McCarthy, 2004; Liang & Lauterbur, 2000; Marques, 2003).
4.2.1 Magnete
Origina um campo magnético que deverá ser estático, uniforme e homogéneo, com uma intensidade de campo que, para fins clínicos, se situa geralmente entre os 0,2 T9 e os 1,5 T. No presente, os magnetes de 1,5 T são os mais divulgados na área do diagnóstico médico. No entanto, estão já em grande expansão os magnetes de 3T e na área da investigação estão já a ser utilizados magnetes de 7T e 8T, em seres humanos (Elster & Burdette, 2001). Em função da intensidade de campo que permitem costumam designar-se como sendo de baixo, médio ou alto campo, havendo ainda quem considere categorias como ultra-baixo (0,002T) e muito alto campo (7 a 9T). Geralmente os magnetes com uma intensidade de campo superior a 1T são designados como campos altos (Elster & Burdette, 2001; Marques, 2003). As configurações mais comuns são do tipo; (1) aberto e (2) fechado, em formato de túnel. Os magnetes podem ainda ser do tipo permanente, resistivo ou supercondutor. Os magnetes que criam campos altos são, em geral, supercondutores e apresentam formato em túnel. No entanto, recentemente, foram apresentados magnetes de 0,7 e 1T com configuração aberta (Marques, 2003).
Um factor importante a considerar relativamente ao campo magnético principal é a homogeneidade espacial, que pode ser definida pelo desvio na intensidade do campo ao longo de um determinado volume, dentro da região de interesse:
médio máx
B
B
B
ade
Homogeneid
0 min , 0 , 0_
=
(4.1)Num magnete para fins clínicos e para obter imagens de qualidade é necessária uma homogeneidade moderada dentro de um volume razoavelmente grande. Em geral, 10 a 50 partes